Source virtuelle acousto-optique pour l'imagerie des milieux diffusants

Acousto-optical virtual source to image scattering media

• Auteur / Autrice : Juliette Selb
• Direction : Albert-Claude Boccara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Bittoun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert-Claude Boccara, Jacques Bittoun, Mathias Fink, Hervé Saint-Jalmes, Michael Canva, Patrick Poulet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathias Fink, Hervé Saint-Jalmes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Échographie

Ultrasons

Granularité (optique)

Mots clés libres

Biomédical

Speckle

Résumé

Ce travail a porté sur le développement d'un système d'imagerie acousto-optique des milieux diffusants épais, et plus particulièrement des tissus biologiques. Le but à long terme est de réaliser un appareil médical capable de détecter des contrastes optiques avec une résolution millimétrique à l'intérieur de tissus de plusieurs centimètres d'épaisseur. La méthode consiste à coupler lumière et ultrasons à l'intérieur du milieu étudié. L'échantillon diffusant est éclairé par une lumière infrarouge très cohérente, qui forme à sa sortie un motif de speckle enregistré sur une caméra CCD. Un faisceau ultrasonore focalisé dans le milieu induit localement une modulation du chemin optique des ondes lumineuses qui le traversent. Cela se traduit en sortie par une modulation de l'intensité du speckle. De façon plus intuitive, le faisceau ultrasonore crée à l'intérieur du milieu diffusant une "source virtuelle" de lumière modulée. L'intensité de cette source virtuelle diminue si elle traverse une région optiquement absorbante. En balayant la source virtuelle à l'intérieur de l'échantillon, nous pouvons réaliser une cartographie de ses propriétés optiques. Les travaux théoriques ont consisté à modéliser l'interaction acousto-optique, grâce à une équation de diffusion de la corrélation que l'on peut résoudre de façon analytique ou numérique selon les cas. Les travaux expérimentaux ont porté sur l'optimisation du système en vue de son application médicale. Le développement d'un "opto-échographe ", c'est à dire une sonde combinant un imageur acousto-optique et un échographe, nous a permis de comparer l'importance relative des contrastes optiques et acoustiques dans le signal. Nous avons amélioré notablement le contraste et la résolution spatiale du système par deux techniques successives: une détection du signal au double de la fréquence excitatrice, et un codage en fréquence de la position le long de l'axe ultrasonore.

This PhD thesis presents the development of an acousto-optical system to image thick scattering media, and more specifically biological tissue. The long-range goal is to achieve a medical tool to detect optical contrasts with a millimetric resolution inside several centimeter truck tissues. The technique consists in coupling light and ultrasounds. Highly coherent infrared light illuminates the scattering sample, and forms, when it exits, a speckle patterns recorded on a CCD camera. An ultrasonic focused beam locally induces inside the medium a modulation of the optical paths of the optical waves that cross it. It causes a modulation of the speckle intensity on the exit. More intuitively, the ultrasonic beam creates inside the scattering medium a "virtual source" of modulated light. The source intensity decreases when it crosses an optically absorbing region. By scanning the virtual source inside the sample, we can map its optical properties. The theoretical studies consisted in a modeling of the acousto-optical interaction, thanks to a correlation diffusion equation that can be solved by analytical or numerical means depending on the geometries. The experimental work dealt with the optimization of the system in a view of its medical application. With an "opto-echograph", that is a system combining an echograph and an acousto-optical imaging system, we compared the importance of acoustic and optical contrasts in our signal. We have notably improved contrast and spatial resolution thanks to two successive techniques: a detection of the second-harmonic acousto-optical signal, and a frequency coding of the axial position.